[发明专利]钛酸铝陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及钛酸铝陶瓷，具体涉及其制备方法。

背景技术

钛酸铝(Al₂TiO₅)是一种既具有低热膨胀又具有高耐热性的新材料，在高抗热震性陶瓷及钢铁用耐火材料方面具有诱人的前景。然而钛酸铝在800℃～1200℃之间不稳定，会分解成氧化铝和氧化钛，限制了其在某些领域的应用。并且在烧结冷却时由于热应力在材料内部易形成大量微裂纹，严重影响其机械强度，致使材料难于致密烧结。如何获得低膨胀而又有一定强度的钛酸铝陶瓷是目前比较关注的问题。一般采取加入添加剂或复合材料的方法来提高钛酸铝的稳定性。加入的添加剂和钛酸铝形成固溶体存在于钛酸铝晶界，由于固溶体的存在改变了晶界的结构和性质，在钛酸铝的分解温度范围内，由于晶界和晶粒组成及结构的差异，晶粒受到晶界的压力的作用，使钛酸铝的晶格受到压缩，离子活动空间减小，从而稳定性提高。

目前，钛酸铝的制备方法有3种：

1、Al₂O₃和TiO₂粉末混合物，通过高温煅烧发生固相反应的固相法；

2、金属醇盐或金属盐水解产物的液相法；

3、使用液态化CVD等的气相法。

气相法可以得到高纯、团聚更少的优质粉末，但由于需要复杂设备和高能量，一般很少采用。液相法可制备出高纯、超细钛酸铝粉末，但工艺复杂。同时由于采用的是化学药品，从而生产成本较高，因此这两种方法目前均不适于工业生产化的需要。固相法具有成本低、产量大、制备工艺简单等优点，因此是常用的生产钛酸铝陶瓷的方法。

但是，在采用固相法生产钛酸铝材料时，通常采用纯度较高的工业氧化铝和氧化钛进行合成，从而生产成本很高，使工业化生产受到了影响。另外，如果用高铝矾土(即使其氧化铝含量达到80％)完全取代氧化铝，由于过高的杂质含量等问题，其制备的钛酸铝陶瓷的强度和热膨胀性能也都很差而基本没有实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛酸铝陶瓷制备方法，其成本低并且所制备的陶瓷性能良好。

本发明提供的制备钛酸铝陶瓷的方法包括：

选取三氧化二铝含量(重量)在75％-80％之间的高铝矾土；

将所选高铝矾土、工业纯三氧化二铝、工业纯二氧化钛和添加剂混合均匀后发生固相反应而得到钛酸铝微粉；以及

将所得钛酸铝微粉成型并烧结来制备钛酸铝陶瓷。

高铝矾土、工业纯三氧化二铝和工业纯二氧化钛之间的重量比优选为：14-35∶28-45∶35-42。添加剂可以是氧化镧和/或氧化锌。氧化镧的加入量优选为高铝矾土、工业纯三氧化二铝和工业纯二氧化钛总重的1-2.5％。氧化锌的加入量优选为高铝矾土、工业纯三氧化二铝和工业纯二氧化钛总重的1-3％。

固相反应的温度优选为1100-1400℃，更优选为1200℃。

烧结温度优选为1200-1500℃；烧结时间优选为1-10小时。

优选高铝矾土的成分(重量百分比)如后面表1所示。

在本发明中，成型可以采用目前所公开的任何已知方法实现，没有特别的限制，例如可以压制成型或注浆成型等；对烧结气氛没有特别的限制，可以在空气中进行，也可以在惰性气体中进行烧结。

根据本发明，在高铝矾土中含有的K₂O、Na₂O，由于熔点较低可以在陶瓷中起助烧剂的作用，同时其含量较低不会降低制品的高温性能。高铝矾土中所含的二氧化硅含量在2-5之间，在烧成过程中可以与矾土中的氧化铝结合生成强度高的莫来石从而提高钛酸铝的力学性能；Fe₂O₃和MgO由于能与钛酸铝形成固溶体降低钛酸铝分解率及保持陶瓷的低膨胀性能，同时它们与烧成中形成的莫来石可以明显抑制钛酸铝陶瓷的分解。但是Fe₂O₃和MgO的含量不能太多，否则会提高陶瓷的热膨胀系数并且使陶瓷的烧成线变化变大。

在陶瓷中由于成分较多造成陶瓷中所含玻璃相较多从而会使材料的热震稳定性降低，加入的氧化镧可以在一定程度上促进晶粒的形成并降低晶粒尺寸，提高陶瓷的强度，但加入量不能太多，否则会增加液相量。